基于AMESim的電磁高速開關(guān)閥動靜態(tài)特性研究

1、68液壓與氣動2010年第2期基于A MESi m的電磁高速開關(guān)閥動靜態(tài)特性研究蘇明,陳倫軍1,21Dyna m ic Characteristic Research ofH i gh Speed On -off Sole noi dV al ve Based on AMES m iS U M i n g , C H E N Lun -jun1,2(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴州貴陽550003; 2.貴州省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院,貴州 貴陽550003摘要:在分析電磁高速開關(guān)閥磁路及機(jī)液結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用AMES i m建立了電磁高速開關(guān)閥模型，基于該模型在不同占空比及不同工作頻率情況下進(jìn)行了仿真

2、分析了 PWM信號、電流、閥芯位移關(guān)系，從控制角度提出了改善電磁高速開關(guān)閥 性能的思路。關(guān)鍵詞:AMES i m ;電磁高速開關(guān)閥；動態(tài)模型；仿真中圖分類號TH 137文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號：1000-4858(2010 02-0068-051引言電磁高速開關(guān)閥作為一種流體控制的新型控制元件 ,采用P WM控制方法,可 容易與計(jì)算機(jī)接口直接相連，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)與流體控制技術(shù)的良性有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行 液壓系統(tǒng)的直接數(shù)字控制。同比例閥、伺服閥等相比，電磁高速開關(guān)閥且具有結(jié)構(gòu) 簡單、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)。電磁高速開關(guān)閥涉及機(jī)、電、磁、液多種領(lǐng)域知識 ，很難建立其精確數(shù)學(xué)模型， 而且流體脈寬調(diào)制P WM控制

3、系統(tǒng)是一類本質(zhì)非線性控制系統(tǒng)，由于流體控制閥的 響應(yīng)速度限制，調(diào)制頻率不可能很高，系統(tǒng)的分析5和設(shè)計(jì)比較困難。法國I M AG I N E公司于1995年推出的專門用于工程系統(tǒng) 建模、仿真及動力學(xué)分析的 AM ES i m軟件,為流體動力、機(jī)械、熱、電磁、控制 等工程系統(tǒng)提供了一個(gè)完善的綜合仿真環(huán)境及靈活的解決方案，具有豐富的模型庫， 可以采用基本元素法按照實(shí)際物理系統(tǒng)來構(gòu)建自定義模塊或者仿真模型，而不需要去推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，這可使研究人員將更多精力投入到實(shí)際物理模型的研究當(dāng) 中。本文基于AMES i m建立了電磁高速開關(guān)閥的數(shù)字模型,分析了 P WM信號、 電流、閥芯位移關(guān)系，從控制角度提

4、出了改善電磁高速開關(guān)閥動態(tài)特性的思路。 2 電磁高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)及磁路螺紋插裝式電磁高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)見圖 1。當(dāng)電磁鐵2斷電時(shí),供油球閥7在供 油-回油壓差作用下向1.銜鐵2.線圈3.極靴4.閥體5.回油球閥6.分離銷7.供油球閥左運(yùn)動,使供油口與控制口接通；在供油球閥左移的同時(shí)，通過分離銷的作用推動回油球閥5緊靠密封座面，使回油口與供油口斷開， 控制口為高壓。當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，銜鐵1產(chǎn)生的電磁推力通過頂桿和分離銷 6使回 油球閥5與供油球閥7 一起右移,直至供油球閥緊靠其密封座面，此時(shí)回油球閥5打 開關(guān)閉,供油球閥7關(guān)閉,控制口為低壓。該閥的一個(gè)顯著特點(diǎn)是借助油口與控制口 的壓差作用使球閥回位，

5、壽命長3。圖1電磁高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)簡圖根據(jù)高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)，繪制出高速開關(guān)閥主要磁通路徑及等效磁路如圖2所示。磁路中主要有3個(gè)氣隙,分別為主氣隙（工作氣隙和兩個(gè)次氣隙（氣隙I和氣隙 II。圖2中,偽氣隙中主磁通路徑,o和？為邊緣磁通路徑,?和？為漏磁通路徑,假設(shè) 磁通或磁收稿日期:2009-08-10作者簡介:蘇明（1962 ,男,福建浦城人,研究員，博士生,主要研究方向?yàn)闄C(jī)電傳動與控制Ei a：冏首jl價(jià)*團(tuán)議申耳：I和再 V 嗎區(qū)鼻J S f <Miw- na« B 9*rs-« v1 I ；配逹fl* ,理科電<«ftrflK羈韻弔世町前聽A t

6、NF陽咱¥*哥屮工應(yīng)rth|«L|V .M t<i “曜 HA 岳ft*| 吊|山卜t WfJ和M/l W電円T f*W m ! t* H *1ft* _jm當(dāng)； em z nt. *斗.p皐 丁斗 £.i *加?xùn)?<4- *p MM flit 941A«41 *耳枷晝0冒曲*片. 山-祁丄*，叫斤# Uf占理輛.+出|昌r B > M I.*.M - F：*l廿呼!«厲ffi .曲忖*3甘«百一Vffi H.IW* 盧* OMlt 亂一Hi 粒 rfjLXirdMWHit 用一 tf|i>*UKK<&a

7、mp;m# j悔fim *i -tl4?B- * 4 " *£斗百*陰日呼國LMi邑*: .Vi«i«Ait IPXMfl4.«« IM 丄 1"UHI ILBWlHI4EI I 咆HZ中*«l革fil 矗屋用關(guān)笛Kil B11 .CftW Ai 轉(zhuǎn)霽11 F34HIIffIT A.f ttilllNI 肘宣暫W眸4W蔚to*i.W電Hili fl * «CI.IU4qig«fll A Afe*! 川韓啟pilHfm mu 站鼻“扎贏宮 imminwanici>IMW0I-* - I fl

8、 lift *WH*riv i”峠 HH1KfTft VI0f" J K*SV «wttv<NinAy i沖It叫”i養(yǎng)«0卅電和耳啊g總汁¥中111-iiM. iJ - 1fl« t i fl*ur 1*l««ll 1 I崑5"Men Ml *4 A 4H#1 J «Ji A A t IIHjilJt 4 Q V1441 r” 4 ff rniwM 由巾*nt *幸酋 w直牛 *址垃|卉刑.如恵卄鼻 ci wnn««*2010年第2期液壓與氣動6970f s穩(wěn)態(tài)液動力f t瞬態(tài)

9、液動力f I液壓力x v閥芯位移液壓與氣動2010年第2期3. 3基于AMES i m的電磁高速開關(guān)閥的動態(tài)模型據(jù)圖 3、圖4所示的電磁高 速開關(guān)閥電磁模型及機(jī)液動力學(xué)模型，得出電磁高速開關(guān)閥動態(tài)模型如圖 5所示。 利用一個(gè)P WM信號去控制開關(guān)管的通斷,從而控制高速開關(guān)閥的通斷。F D電磁力根據(jù)圖1所示電磁高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)簡圖,采用AM ES i m中的H CD （基本元件設(shè)計(jì)庫建立電磁高速開關(guān)閥的機(jī)液動力學(xué)模型如圖 4。各子模型的作用、功能如表2力單皇于«1詮話星覃炸囉if憐董 t宣wwmi n ffj .ts14M甘idlE辭曜養(yǎng)懈4IMHkffVl|BMI ArRlflla

10、怙離m住甘Ul*l 1M4J IH2 貼同«!BAKS翻加IRlCllBIK.11 -上ilLkiflJk*K9$佝坤由h轉(zhuǎn)肺沖也VMU 9 JC R m飆勺黑口iL1 ,-J咽樓!E時(shí)K圖5電磁高速開關(guān)閥動態(tài)模型4動、靜態(tài)特性仿真研究4. 1 P WM信號、電流、閥芯位移關(guān)系給定供油壓力20M P , f P WM =50H z , S =0. 5時(shí)P WM信號、電流、閥芯位 移關(guān)系如圖6。圖6電磁高速開關(guān)閥P WM信號、電流、閥芯位移關(guān)系圖6中t p為P WM脈沖寬度；t f為P WM脈沖周期；t on為開啟時(shí)間，從P WM脈沖上升沿到閥完全打開的時(shí)間；t dn為閥芯開啟的 滯后

11、時(shí)間,從P WM脈沖上升沿到閥開始打開的時(shí)間；t off為關(guān)閉時(shí)間，從PWM脈沖下降沿到閥完全關(guān)閉的時(shí)間；t d f為閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間，閥芯從全開到開始關(guān)閉 時(shí)的時(shí)間；S =t p t f為P WM脈沖占空比。對圖6中P WM信號、電流、閥芯位移分析如下:(1閥芯開啟運(yùn)動比P WM脈 沖信號上升沿滯后。當(dāng)PWM脈沖上升沿到來時(shí)，電流開始上升，當(dāng)電磁力可以克 服負(fù)載阻力時(shí)，閥芯開始開啟運(yùn)動，從PWM脈沖上升沿到閥芯開始開啟運(yùn)動的這 一段時(shí)間，就是閥芯開啟的滯后時(shí)間t dn ;(2閥芯從開啟到完全打開需要一定的運(yùn)動時(shí)間，這個(gè)時(shí)間為t on -t ;Xlff10050Q +50O.DOQ 0.01

12、00.030hoooooo4 32 L ooaK - F L >o ooooo oooo 4 3210.060時(shí)間/sr=0.82010年第2期液壓與氣動71圖7不同占空比時(shí)電磁高速開關(guān)閥 PWM信號、電流、閥芯位移關(guān)系(3閥芯關(guān)閉運(yùn)動比P WM脈沖信號下降沿滯后。當(dāng)P WM脈沖下降沿到來時(shí),在二極管的續(xù)流作用下，電流開始下降，電磁力下降，當(dāng)液壓力足以克服電磁力及阻力時(shí)，閥芯開始關(guān)閉運(yùn)動,從PWM脈沖下降沿到閥芯開始關(guān)閉運(yùn)動的這一段時(shí)間，就是閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間t d f ;(4閥芯從開始關(guān)閉運(yùn)動到完全關(guān)閉需要一定的運(yùn)動時(shí)間，這個(gè)時(shí)間為to ff -t。4. 2不同占空比的動態(tài)特性仿真工作

13、頻率50H z時(shí)，在不同占空比情況下，電磁高速開關(guān)閥P WM信號、電流、閥芯位移關(guān)系仿真結(jié)果如圖7。分析S與P WM信號、電流、閥芯位移關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。(1當(dāng)S值很小時(shí)(如S =0. 1,由于電磁力尚未上升到足以可以克服阻力的值,尚未克服開啟滯后時(shí)間t dn ,所以，閥芯不能開啟,長期處于完全關(guān)閉位置；(2當(dāng)S值 較小時(shí)(如S =0. 2,由于電磁力上升到足以可以克服阻力的值后，尚未完成開啟運(yùn)動 過程,P WM脈沖下降沿就已經(jīng)到來,即尚未克服閥芯開啟運(yùn)動時(shí)間t on -t d n ,所以, 閥芯不能完全開啟，就已經(jīng)開始關(guān)閉運(yùn)動過程了 ；(3當(dāng)S值較大時(shí)(如S =0. 9,由于電磁力下降

14、還未達(dá)到足以使閥芯完全關(guān)閉狀態(tài)時(shí),PWM脈沖上升沿已經(jīng)到來,又進(jìn)入了電流上升過程,即尚未克服閥芯關(guān)閉運(yùn)動時(shí)間t o ff -t d ,所以，閥芯不能完全關(guān)閉，就已經(jīng)開始開啟運(yùn)動過程了 ；(4當(dāng)S值很大時(shí)(如S =0. 95，由于電磁力下降還未達(dá)到足以使閥芯開始關(guān)閉運(yùn)動時(shí)，P WM脈沖上升沿已經(jīng)到來，又進(jìn)入了 電流上升過程，即尚未克服閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間t df ,所以，閥芯不能完全關(guān)閉，就已 經(jīng)開始開啟運(yùn)動過程了。4. 3不同工作頻率下的靜態(tài)特性仿真1空載流量占空比特性當(dāng)負(fù)載發(fā)壓力為零時(shí)，閥輸出平均流量與輸入PWM信號的占空比間的關(guān)系是 常用特性，稱為空載流量占空比特性（圖8a,或簡稱流量-占空

15、比特性2空載壓力特性空載壓力特性（圖8b指負(fù)載流量為零時(shí)，平均負(fù)載壓力與P WM信號之間的關(guān)系。圖8電磁高速開關(guān)閥空載特性分析圖8,可以看出：隨著工作頻率的增加，空載流量占空比特性和空載壓力特 性的調(diào)節(jié)死區(qū)增加，流量和壓力隨占空比有效調(diào)節(jié)的 S的范圍明顯變小，曲線整體 明顯變陡,靜態(tài)特性變差。72液壓與氣動2010年第2期液壓潤滑系統(tǒng)中靜電問題分析與解決方法闞超，廖支援，PuliyurM adhavanE l ectrostatic Charge Gen erati on and Sol uti on on E lectrostati c D ischarge Prob l e m i n H

16、ydraulic and Lubricati on Syste mKAN Chao , LIAO Zh-i yuan , Pu li y urM adhavan112(1.頗爾過濾器(北京 有限公司，北京 100176; 2. Sc i entifi c and L aboratory Serv ices , Pa ll Co rporati on , USA摘要:該文針對當(dāng)前液壓潤滑系統(tǒng)中出現(xiàn)的靜電問題及其可能造成的危害，從理論上分析了靜電現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和影響因素，詳細(xì)介紹了采用防靜電濾材消除靜 電問題的研究成果及用于解決實(shí)際靜電問題的成功案例。關(guān)鍵詞:靜電;液壓潤滑系統(tǒng)；防靜電濾材中圖分類

17、號:TH 137文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號：1000-4858(2010 02-0072-04引言現(xiàn)代液壓潤滑技術(shù)的飛速發(fā)展使得對于此類系統(tǒng)維護(hù)的要求不斷增強(qiáng)，這意味著客戶需要對系統(tǒng)和油液的運(yùn)行狀況更加關(guān)注。近來,國內(nèi)一些鋼廠、紙廠的液壓潤滑系統(tǒng)現(xiàn)場操作人員抱怨 ，在系統(tǒng)監(jiān)控維護(hù)過程 中,聽到系統(tǒng)某元件(通常主要為過濾器 內(nèi)部有類似放電的/噼啪0聲音；在過濾器使用一定時(shí)間后，取出濾芯檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)濾芯表面有破損；或是在油箱內(nèi)回油口看到明 顯放電現(xiàn)象。這些情況都是液壓潤滑系統(tǒng)5結(jié)論及分析通過仿真看出：(1電磁高速開關(guān)閥閥芯開啟滯后時(shí)間t dn、閥芯關(guān)閉滯后時(shí)間t d f的存在是 導(dǎo)致閥芯運(yùn)動不能隨P W

18、M脈沖占空比實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)、工作頻率受限制的主要原 因；(2在其他條件不變的情況下，電磁高速開關(guān)閥工作頻率的增加導(dǎo)致靜態(tài)特性變 差。雖然影響電磁高速開關(guān)閥動、靜態(tài)特性的因素眾多，但無疑如何減小閥芯開啟的滯后時(shí)間t dn、及閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間t d f是改善電磁高速開關(guān)閥動、靜態(tài)特 性的重要方面。從控制的角度出發(fā)，可以采取以下策略：1要實(shí)現(xiàn)減小開啟的滯后時(shí)間t d n及閥芯開啟運(yùn)動時(shí)間t on -t dn ,應(yīng)該使電流 波形上升時(shí)間盡可能短；存在靜電現(xiàn)象的標(biāo)志。目前了解到的靜電現(xiàn)象在液壓潤滑系統(tǒng)中的具體表現(xiàn)形式主要有以下幾種情況 能夠在系統(tǒng)中(過濾器或油箱內(nèi) 出現(xiàn)類似放電的/噼啪0聲;系統(tǒng)過濾器濾芯壽命急 劇下降;濾芯表面纏帶甚至濾材破損；某些收稿日期:2009-08-13作者簡介：闞超(1978 ,男,滿族,河北秦皇島人,工程師,博士,主要從事污染控制 與過濾分離技術(shù)方面的工作。o要實(shí)現(xiàn)減小閥芯關(guān)閉的滯后時(shí)間t d f及閥芯關(guān)閉運(yùn)動時(shí)間t